1、物理实验仿真物理实验仿真篇一：物理层仿真 实验物理层仿真实验系别：通信工程系 专业：通信工程系 x 级 学号：姓名： 吕 XX实验时间：2014 年 6 月 30 日 撰写日期：2014 年 7 月 3 日实验一：随机信号的产生 1.1 实验目的掌握各种伪随机序列的产生方法。1.2 实验原理1.2.1 Wichmann-Hill 算法产生均匀分布随机变量该算法是通过将 3 个周期相近的随机数发生器产生的数据序列进行相加，进而得到更大的周期的数据序列。定义三个随机数发生器：xi?1?(171xi)mod(30269)yi?1?(170yi)mod(30307)zi?1?(172zi)mod(30
2、323)以上三式中均需要设定一初始值，这三个初始值一般称为种子。产生的三个序列的周期分别是：30269、30307、30323。将(转载于:www.hNNsCy.coM 博 文 学 习 网:物理实验仿真)这三个序列组合相加即可得到一个周期更大的均匀分布随机序列：yizi?xiui?mod(1)?302693030730323?1.2.2 逆变换发产生 Rayleigh 分布随机变量逆变换法的基本思想如图 1.1 所示，条件是产生的随机变量的分布函数具有闭合表达式。图 1.1 将一个不相关均匀分布的随机序列 U 映射到一个具有概率分布函数 Fx(x)的不相关序列随机序列 XRayleigh 分布
3、的分布函数：?y2FR(r)?2exp?2?2?0?y根据上面的逆变换方法有：r?r2?dy?1?exp?2?2?u?r21?exp?2?2?因此，r?根据上式即可将均匀分布的随机变量映射为 Rayleigh 分布的随机变量。1.2.3 根据 Rayleigh 分布随机变量产生 Gaussian 分布随机变量基于 Rayleigh 随机变量，可以方便的产生 Gaussian 分布随机变量。关系如下：X?rcos(2?u2)Y?rsin(2?u2)或者X?u2)其中 u1 和 u2 分别是两个（0 1）之间均匀分布的随机变量，产生的 X 和 Y 均为高斯随机变量。Y?u2)1.3 实验内容根据实
4、验原理部分，完成以下实验任务。任务一：采用 Willmann-Hill 算法产生 10000 个均匀分布的随机变量，根据两组种子做出随机序列的直方图（命令 hist） ，两组种子自行设定。任务 2：使用逆变换法产生其它分布的随机变量（ Rayleigh）设定 sigma2 为 0.5、1 和 2，分别做出 Rayleigh 随机变量序列的直方图，观察图形。任务 3：通过 Rayleigh 分布随机变量产生 Gaussian 分布随机变量，设定 sigma2 为 1 产生标准正态分布的随机变量，计算其方差并做直方图。改变 sigma2 值观察直方图的变化。1.4 实验结果与分析任务一：均匀分布两
5、组直方图如下由上图可看出，产生的随机序列满足（0 1）均匀分布。任务二：Rayleigh 分布直方图由这三张图可看出，图像大致满足瑞利分布，且方差不同，瑞利分布的横坐标不同。方差越大，图像在横坐标轴上的跨度越大任务三：通过瑞利分布随机变量产生高斯随机分布变量，方差为1计算其方差得：varx =1.0033； vary =1.0079 与所设定的sigma2=1 的值相接近。实验二：QPSK 系统仿真 2.1 实验目的掌握简单调制方法的基带仿真实现，以及 AWGN 信道和Rayleigh 平坦衰落信道的建模，并完成在这两种信道下的误码率仿真。2.2 实验原理QPSK 发射信号的等效基带格式和星座
6、图Sk = A(cosk+jsink)其中 A 为信号幅度，k 为调制相位，取值范围为( /4, 3 /4,5/4,7 /4), 比特与相位之间的映射关系如图 2.1 所示。物理实验仿真篇二：物理仿真实验报告物理仿真实验报告学号：2010038026 班级：化工 02姓名：高林娜时间：2011.12.20实验题目：扫描隧道显微镜一、实验目的：1. 学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构；2. 观测和验证量子力学中的隧道效应；3. 学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观测样品的表面形貌；4. 学习用计算机软件处理原始图象数据。二、实验原理：? 隧道电流扫描隧道显微镜(Scanning Tu
7、nneling Microscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能 E 低于前方势垒的高度 V0 时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如图 1)这个现象称为隧道效应。隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数 T 为：由式(1)可见，T 与势垒宽度 a，能量差 (V0-E)以及粒子的质量m 有着很敏感的关系。随着势垒厚(宽)度 a 的增加，T 将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很
8、难观察到粒子隧穿势垒的现象。扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近 (通常小于 1nm) 时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。隧道电流 I 是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S 以及平均功函数 有关：式中 Vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数 1 和 2 分别为针尖和样品的功函数，A 为常数，在真空条件下约等于 1。隧道探针一般采用直径小于 1mm 的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流。? 扫描隧道显微镜的工作原理由式(2)可知，隧道电
9、流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小 0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对 x-y 方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。扫描隧道显微镜主要有两种工作模式：恒电流模式和恒高度模式。? 恒电流模式：如图（a）所示x-y 方向进行扫描，在 z 方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就
10、得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在 z 方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。? 恒高度模式：如图(b)所示在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。三、实验过程：1、样品装入与 STM 探针的调节(注意不要损坏针尖),并打开STM 控制开关2、使用 STM 软件处理实验数据先“马达控制器 ”中使用连续进找到扫描区域，然后使用单步进控制电流在-30 到 30V 之间，如图调整扫描范围，高度控制等参数进行数据扫描。五、实验思考题1. 扫描隧道显
11、微镜的工作原理是什么？什么是量子隧道效应？答：扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距 离非常接近 (通常小于 1nm) 时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。量子的隧道效应是指由于粒子的波动，粒子可以穿过比它能量更高的势垒这个现象称为隧道效应。2. 扫描隧道显微镜主要常用的有哪几种扫描模式？各有什么特点？答：扫描隧道显微镜主要有两种工作模式：恒电流模式和恒高度模式。 恒电流模式通过调节探针的高度达到控制隧道电流恒定的效果。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在 z 方向上驱动的电压值推算表面起
12、伏高度的数值。物理实验仿真篇三：物理仿真实验报告西安交通大学 物理仿真实验报告-利用单摆测量重力加速度姓名：* 班级： 学号：利用单摆测量重力加速度实验目的:1. 单摆测定重力加速度 ;2. 学习进行简单设计性实验的基本方法;3. 根据已知条件和测量精度的要求，学会应用误差均分原则选用适当的仪器和测量方法; 4. 学习累积放大法的原理和应用，分析基本误差的来源及进行修正的方法。 实验仪器: 单摆仪、摆幅测量标尺、钢球、游标卡尺实验原理:一根不可伸长的细线，下端悬挂一个小球。当细线质量比小球的质量小很多，而且小球的直径又比细线的长度小很多时，此种装置称为单摆。如果把小球稍微拉开一定距离，小球在重
13、力作用下可在铅直平面内做往复运动，一个完整的往复运动所用的时间称为一个周期。当摆动的角度小于 5 度时，可以证明单摆的周期 T 满足下面公式由此通过测量周期摆长求重力加速度实验步骤:一. 用误差均分原理设计一单摆装置,测量重力加速度 g.设计要求:(1) 根据误差均分原理,自行设计试验方案,合理选择测量仪器和方法.(2) 写出详细的推导过程,试验步骤 .(3) 用自制的单摆装置测量重力加速度 g,测量精度要求g/g 1%.可提供的器材及参数:游标卡尺、米尺、千分尺、电子秒表、支架、细线( 尼龙线)、钢球、摆幅测量标尺(提供硬白纸板自制) 、天平(公用).假设摆长 l70.00cm;摆球直径 D
14、2.00cm;摆动周期 T1.700s;米尺精度米 0.05cm;卡尺精度卡0.002cm;千分尺精度千0.001cm;秒表精度秒 0.01s;根据统计分析,实验人员开或停秒表反应时间为 0.1s 左右,所以实验人员开,停秒表总的反应时间近似为人0.2s.二. 对重力加速度 g 的测量结果进行误差分析和数据处理,检验实验结果是否达到设计要求.三. 自拟实验步骤研究单摆周期与摆长,摆角,悬线的质量和弹性系数,空气阻力等因素的关系,试分析各项误差的大小 .四. 自拟试验步骤用单摆实验验证机械能守恒定律.测量内容与数据处理：摆线长+小球直径 L=91.50cm利用游标卡尺测小球直径数据处理：D（平均
15、）=（1.750+1.744+1.746+1.748+1.750+1.748）6=1.748cm R=D/2=0.874cm l=L-R=90.63cmt=61.02s，周期数 n=31， T=(61.02-0.2)/31=1.96 s g=(4*3.14 )*L/(T )=9.748 m/s 2T/t=0.0022，L/l=0.0005，所以 g/g=0.27%，g=0.026 所以：g=（9.748 0.026） 误差分析：1.单摆只在最大摆角小于等于 5时，单摆的振动才可以近似看为为简谐振动。这时视为简谐振动的误差非常小，因为在回复力公式推导时，只有在摆角 小于等于 5时才有 sin=近似相等=tan=弧度 =X/L，有：F=-X(mg/L)，即回复力与离开平衡位置的位移大小成正比，方向相反，振动为简谐振动。因此，单摆摆角会产生误差。 2.空气的粘滞阻力并不影响摆动的周期，所以没有造成误差。由于悬线的质量远小于铁球质量，所以产生的误差可以忽略不计。 思考题：1. 为什么测量周期时，一般要测量多个周期的总时间，然后除以周期数？ 答：因为直接测一个周期数误差太大，这样可以减小误差。
